JP2009247067A - モータ用整流子部材及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】整流子片と導線との接合強度が高く、かつその強度のバラツキも少なくでき、安定かつ信頼性のあるスポット接合強度に優れたモータ用整流子部材を提供すること。
【解決手段】ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体１上に、巻線コイルとの接合部にＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜３が形成されたモータ用整流子部材であって、ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体１とＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜３の中間に、Ｎｉ若しくはＮｉ合金またはＣｏ若しくはＣｏ合金が中間層２として設けられ、その中間層厚さが０．００５〜０．１μｍであるスポット接合強度に優れたモータ用整流子部材。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響機器、映像機器、精密機器、自動車電装用機器等に使用されるモータに関するものであり、特に整流子の製作が容易に製造できるとともに、その整流子片と導線とを接合する、いわゆるスポット接合強度が優れ、かつ高い接合信頼性をもつモータ用整流子部材に関するものである。

従来の各整流子片と巻線コイル端部との接続について、図を参照して説明する。
図４は、小型モータの整流子部の概略斜視図である。図中、１１は回転子のシャフト、１２は整流子芯、１３は整流子片、１４は整流子足部である。このように、整流子部は樹脂製の整流子芯１２の上に配置された各整流子片１３、及び巻線コイル端部を接続するために各整流子片１３と一体にその端部に形成された整流子足部１４とから構成されている。
図５は、図４に示す整流子部の側面から見た側面図であり、巻き線コイル端部を接合した状態を示している。整流子足部１４は、図示したように整流子片の方に折り曲げることにより巻き線コイル１５の端部を押さえつけてスポット溶接している。

図６は、（ｂ）にバリスタのみを取り出して示すとともに、（ａ）にそのバリスタを整流子部に取り付けて接続した状態を示す図である。整流子を有する小型モータにあっては、整流子に摺接するブラシが整流子片間を通過する際にアークが発生し、このアークによって通信機器に電波障害を与えたりブラシの寿命が短くなったりする。そのため、火花消去素子としてバリスタをモータの回転子に取り付けることが従来から知られている。このようなバリスタの一例は、図６（ｂ）示すような形状をしており、全体的にドーナツ状円板形状にして、回転子磁極数、すなわち整流子片と同数の電極を有している。このバリスタ１６の各電極１７は、それぞれ各整流子足部１４とはんだ付けされる。このはんだ付けによって、バリスタ１６は電気的に接続されるだけでなく、整流子部と同心に機械的にも固定される。

このような小型モータの巻線コイルなどの電子部品に用いられる導電材としてのワイヤーには、通常ポリウレタン、ポリエステル等の絶縁材料によりコーティングされて絶縁性皮膜が形成されている。小型モータの巻線コイルは、その端部を各整流子足部と電気的、機械的に接合する必要があり、その手法として整流子足部の折り曲げた内側面に細かな凹凸（いわゆる星打ち：細かな星型の凹部を設けること）を設けた非平滑面とし、さらにスポット溶接によりヒートショックを与えることで、皮膜剥離及び接合を行っている。
図７は、モータ用整流子材を使用したときの巻線コイル端部を接合した状態を示す断面図である。整流子足部１４の折り曲げた内部には、あらかじめはんだめっきあるいはＳｎなどの融点の低いめっきあるいはクラッド材を担持させて巻線コイル１５を保持してやることで、ヒートショックによる断線を和らげ、接合を行っている。

従来技術によって形成された整流子片材の例として、たとえば特許文献１では、銅をベースとした整流子片と導線材を接合する整流子片の折り曲げた内部において、該ベース材よりも融点が低くかつ電気抵抗が高い薄層のクラッド材を貼り付けたものを使用し、星打ちやはんだめっき工程の必要性をなくして作業工程を簡略化することを目的としている。
一方、特許文献２においては、導電性基体上にＮｉあるいはＣｏあるいはこれらの合金を第一層とし、第二層にＡｇ系被覆層、さらに整流子片と導線との接合部にＳｎ系金属層めっきを施すことで、接合安定性を図ったものがある。
特開２００３−０６１３１４号公報 特開２００６−１４９１４４号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のクラッド材にて改善を行う方法では、はんだめっきが省略化できるが、クラッドでは薄膜化対応に限界がある。また、クラッド材の表面性状はめっきと比較すると表面汚染がひどく、クラッド材を用いてスポット接合を行っても表層の汚染によって接合信頼性に欠ける可能性があることが懸念された。
さらに上記特許文献２の手法には、Ｎｉ系またはＣｏ系いずれか一方の拡散防止を目的とした下地層を設けることが明記されているが、発明者が検討した結果、この下地層の厚さを０．１μｍを超えて形成すると、かえって整流子片と導線の接合強度が低下し、接合強度のバラツキも大きくなってしまうことが分かった。
そこで本発明の目的は、整流子片と導線との接合強度が高く、かつその強度のバラツキも少なくでき、安定かつ信頼性のあるスポット接合強度に優れたモータ用整流子部材およびそれを用いたモータを提供することにある。

発明者は、上記課題に鑑み整流子片と導線との接合部について検討を行ったところ、Ｃｕ基体とＳｎ層との中間層として設けた下地皮膜が０．１μｍを超えて形成されると、中間層による基体成分のバリア効果でＳｎ中にＣｕが拡散しにくくなって、Ｓｎ層内での破断が発生し、その強度が低いことからスポット接合強度が低下してしまうことを突き止めた。
また、下地皮膜を施さずにＳｎめっきを施すことでＣｕ−Ｓｎ拡散層を成長させる手法も検討したが、中間層なしで摺接部に従来より利用されているＡｇ若しくはＡｇ合金のめっきまたはクラッド加工を施すと、Ａｇ形成後におけるＡｇ摺接部の変色がＣｕの拡散によって顕著となり、接触抵抗が上昇してモータ特性を損なう可能性が高いことが分かった。さらにはスポット溶接部はＣｕ−Ｓｎ拡散層が完全に形成されてしまい、接合強度の安定性や信頼性が低い結果となることが分かった。
このため、スポット接合強度を安定してかつ高強度に保つためには、適度なＣｕ−Ｓｎ拡散層の成長とＳｎ層の残存が重要であるものと考えた。

すなわち本発明は、
（１）ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体上に、巻線コイルとの接合部にＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜が形成されたモータ用整流子部材であって、ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体とＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜の中間に、Ｎｉ若しくはＮｉ合金またはＣｏ若しくはＣｏ合金が中間層として設けられ、その中間層厚さが０．００５〜０．１μｍであることを特徴とするモータ用整流子部材、
（２）前記基体上に形成される中間層およびＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜がめっき法で形成されていることを特徴とする、（１）記載のモータ用整流子部材、
（３）前記形成されたＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜が、溶融処理を施されていることを特徴とする、（１）または（２）記載のモータ用整流子部材、および、
（４）前記（１）〜（３）のいずれか1項記載のモータ用整流子部材を搭載したモータ、
を提供するものである。

本発明のモータ用整流子部材は、従来技術のものと比べて整流子片と導線との接合強度が高く、かつそのバラツキも少なくでき、安定かつ信頼性のあるスポット接合強度に優れたモータ用整流子部材である。また、中間バリア層が存在していることで、整流子の摺接面においても良好なモータ寿命特性が得られ、低い接触抵抗といったモータ要求特性をも満足する整流子部材が得られる。
また、中間層およびＳｎ皮膜の形成にめっき法を利用することで、クラッド材よりも安価にかつリードタイムを短く製造することができる。
さらに、ＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜を溶融処理することで、拡散層の形成をより促進できるとともに、ヒゲ状生成物（ウイスカ）の発生する危険性を低減させることができ、さらには整流子片に打ち抜く際の粉落ちを抑制することができる。

本発明のモータ用整流子部材の好ましい実施形態について、下記に詳細に説明する。
本発明のモータ用整流子に使用する整流子部材を図１に模式的に断面図で示す。整流子部材の基体1には、ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体が用いられる。この基体としては、例えば純Ｃｕ系のほか、Ｃｕ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系など、Ｃｕを主成分とする合金を挙げることができる。使用される基体の厚さについては特に規定を設けないが、０．１〜０．５ｍｍ程度が実用上の板厚である。

上記ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体表面に形成される、図１中のＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜３には、例えば純Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｐｄ系、Ｓｎ−Ｎｉ系、その他Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕなどの３元系合金等が挙げられる。形成される被覆厚さには特に規定を設けないが、例えば０．５〜１０μｍの厚さが好ましく、接続信頼性向上、プレス時の粉落ち防止、及び経済性を考慮すると、１．０〜６．０μｍの範囲で形成することが特に好ましい。

図１に示すように上記二層の中間に中間層２として形成されるＮｉ若しくはＮｉ合金またはＣｏ若しくはＣｏ合金には、例えばNi系では純Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ等があり、Ｃｏ系では純Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｓｎ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｐ、Ｃｏ−Ｂ等がある。
形成される中間層２の被覆厚は、０．００５〜０．１μｍの範囲で制御することが必要である。０．００５μｍ未満の場合は、Ｃｕ−Ｓｎ拡散層が全体的に形成されてしまい、金属間化合物の脆化が原因となって接合強度の低下やバラツキが大きくなり、逆に被覆厚が０．１μmを超えた場合は、中間層によって基体の拡散が抑制されすぎてしまうために、スポット接合部が破壊されるとＳｎまたはＳｎ合金層内での破壊となり、Ｓｎの引張強度が弱いためにかえってスポット接合強度が低下してしまう。

中間層の厚さは０．００５〜０．１μmに制御する必要性があるが、これは、中間層のピンホールから基材のＣｕをＳｎ中に適度に拡散させることによって、適度なＣｕ−Ｓｎ拡散層とＳｎ層の残存といった双方の要求を満足することができる。
その結果、スポット接合強度を高く維持でき、かつ中間層が僅かにあることで変色が防止され、低接触抵抗等のモータ要求特性を満足するモータ用整流子材を作製できる。
特にモータ特性およびスポット接合強度の双方を十分に満足する特性を得られる推奨範囲としては、中間層の被覆厚は０．０１〜０．１μｍが好ましい。
なお、図中の４は、整流子摺接部であり、巻き線コイルとの接合部ではないので、その層は、ＳｎまたはＳｎ合金である必要は無く、ストライプ状のＡｕ、Ｐｄ、Ａｇまたはこれらの合金層である。この層厚は、特に限定するものではなく、０．１〜１０μｍ程度である。以下の図２および図３においても同様である。

図２は、本発明の別の実施形態にかかるモータ用整流子に使用する整流子部材を模式的に示す断面図であるが、ここに示すように中間層を２および５のように複数層設けることも可能であり、その被覆層厚が総計で０．００５〜０．１μｍとなれば本発明の効果を発揮する。
また図３は、本発明のさらに別の実施形態にかかるモータ用整流子部材を模式的に示す断面図である。このように、巻線コイルとの接合部に形成されたＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜３の箇所における中間層２の厚さが０．００５〜０．１μｍの範囲に入っていればよく、スポット接合部以外の中間層厚は上記範囲の限りではない。

上記中間層およびＳｎ層は、厚さ調整や均一に形成するのが容易であり、かつ酸化膜や大気汚染等を極力抑えるよう形成する必要があるため、めっき法で形成するのが望ましい。めっき法においては、例えば溶融めっき、電気めっき、無電解めっき等が挙げられるが、膜厚制御性、生産リードタイム、製造コスト、生産の容易性などを考慮すると、電気めっき法で行うのが最も好ましい。電気めっき法であれば、上記被覆厚においてもバラツキの程度が少なくでき、表面汚染が少ないために低接触抵抗といったモータ特性が良好であり、特にスポット接合強度が安定した信頼性のある整流子片を製造することができる。

最表面にあるＳｎ層に関して、層形成のままの状態で整流子部材にプレス成形することももちろん可能であるが、Ｓｎ層を形成後に溶融処理を施すことも有効である。溶融処理を行うことによって、Ｓｎ皮膜から出現しやすいヒゲ状生成物（ウイスカ）の発生する危険性を低減させることができ、またプレス時の粉落ち抑制の効果がある。
このようにして形成された整流子材料をモータに使用することによって、モータ特性を損なうことなくスポット接合強度が高く、かつ信頼性の高いモータを提供することができる。

本発明を実施例等に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
［実施例１〜１４および比較例１〜４］
連続的に条材にめっきを施すラインにおいて、基体とする厚さ０．３ｍｍ、幅２１ｍｍのＣＤＡ合金規格Ｃ１４４１０の銅基合金条を通板して、電解脱脂、酸洗の前処理を行った後、表１に示しためっきを施し、各実施例および比較例のモータ用整流子材料を得た。
Ｓｎ層の溶融処理方法としては、ＬＰＧを０．３ｌ／ｍｉｎ.、大気を６ｌ／ｍｉｎ.の流量で混合したガスをバーナーで燃焼させ、不活性ガス雰囲気中でＳｎ層を溶融した後、２５℃水中にて凝固した。
また従来例については、同上基体にＳｎをクラッド法によって形成したモータ用整流子材を得た。

上記の材料をモータ用整流子部材にプレス加工し、整流子部材とエナメル被覆導線とを下記の条件においてスポット接合を行った。
[スポット接合条件]
第１加圧時の荷重：９５Ｎ
第２加圧時の荷重：９．８Ｎ
スポット接合加熱量：０．６５ｋＷ

その接合強度について、ＪＩＳ Ｚ３１３６に記載の方法で各実施例、比較例および従来例の接合強度の測定を５回行い、その測定結果（平均強度）およびバラツキの指標である標準偏差について、あわせて表１に示した。
ここで、実用的にモータ整流子部材として使用できるスポット強度は０．１５ＭＰａ以上であり、評価は（接合強度−標準偏差）の値が０．１５以上のものが実用レベルである。

使用した各めっきのめっき液組成およびめっき条件は下記に示す。
［Niめっき］
めっき液：ＮｉＳＯ_４ ２４０ｇ／ｌ、ＮｉＣｌ_２ ４５ｇ／ｌ、Ｈ_３ＢＯ_３ ３０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度 ５Ａ／ｄｍ^２、温度 ５０℃
［Ｃｏめっき］
めっき液：ＣｏＳＯ_４ ４００ｇ／ｌ、ＮａＣｌ ２０ｇ／ｌ、Ｈ_３ＢＯ_３ ４０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度 ５Ａ／ｄｍ^２、温度 ３０℃

［Ｓｎめっき］
めっき液：ＳｎＳＯ_４ ８０ｇ／ｌ、Ｈ_２ＳＯ_４ ８０ｇ／ｌ、添加剤５１３Ｙ（商品名、石原薬品（株）製） ３０ｍｌ／ｌ
めっき条件：電流密度 ２Ａ／ｄｍ^２、温度 ４０℃
［光沢Ｓｎめっき］
めっき液：ＳｎＳＯ_４ ４０g／ｌ、H_２ＳＯ_４ １００ｇ／ｌ、添加剤５１３Ｙ（商品名、石原薬品（株）製） ３０ｍｌ／ｌ
めっき条件：電流密度 ２Ａ／ｄｍ^２、温度 ２０℃

表１によれば、Ｎｉ下地めっき厚が０．００５〜０．１μｍの範囲では、整流子のスポット接合強度が大きく、バラツキも少なく接合強度が安定していることが分かる。
一方、下地めっき厚が０．００５μｍ未満あるいは０．１μｍを超えてめっきされている場合、接合強度が小さかったり、バラツキ度合いが大きくなったりしており、実用レベルの１．５ｋｇを安定して超えないと判断できる。さらに、従来例では、接合強度は十分確保されているものの、バラツキ度合いが大きく接合信頼性にかける。
この結果、本発明の実施例はスポット接合強度に優れ、信頼性の高い整流子材料が得られることが分かる。

図１は、本発明の実施形態にかかるモータ用整流子部材を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の別の実施形態にかかるモータ用整流子部材を模式的に示す断面図である。 図３は、本発明のさらに別の実施形態にかかるモータ用整流子部材を模式的に示す断面図である。 図４は、小型モータの整流子部の概略斜視図である。 図５は、図４に示す整流子部の側面から見た側面図であり、巻き線コイル端部を接合した状態を示している。 図６（ａ）は、バリスタを取り付けた整流子部の側面図で、図６（ｂ）はバリスタのみの斜視図である。 図７は、巻線コイル端部を接合した状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 基体
２ 中間層
３ ＳｎまたはＳｎ合金の皮膜
４ 整流子摺接部
５ 二層目中間層
１１ シャフト
１２ 整流子芯
１３ 整流子片
１４ 整流子足部
１５ 巻線コイル端部
１６ バリスタ
１７ 電極

Claims (4)

1. ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体上に、巻線コイルとの接合部にＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜が形成されたモータ用整流子部材であって、ＣｕまたはＣｕ合金からなる基体とＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜の中間に、Ｎｉ若しくはＮｉ合金またはＣｏ若しくはＣｏ合金が中間層として設けられ、その中間層厚さが０．００５〜０．１μｍであることを特徴とするモータ用整流子部材。
2. 前記基体上に形成される中間層およびＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜がめっき法で形成されていることを特徴とする、請求項１記載のモータ用整流子部材。
3. 前記ＳｎまたはＳｎ合金からなる皮膜が、溶融処理を施されていることを特徴とする、請求項１または２記載のモータ用整流子部材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のモータ用整流子部材を搭載したモータ。

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